白銅管焊接工藝研究

【摘 要】 在厚壁白銅管的焊接中，利用手工TIG焊內填絲單面焊雙面成形工藝焊接根部打底焊縫，余下焊縫采用TIG焊填滿。焊接過程中，只要注意選用合適的坡口形式及尺寸，并采用合理的焊接規范參數，完全可以取得良好的焊接質量，為船舶通海系統所采用的BFe10-1-1白銅管焊接提供可靠的依據。

【關鍵詞】 白銅管 TIG焊內填絲工藝 坡口形式及尺寸 焊接規范參數

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2014.14.008

銅及銅合金以它獨特而優越的綜合性能，在電氣、電子、化工、食品、動力、交通及航空、航天、兵器等工業中得到了廣泛地應用[1]。白銅作為一種高耐蝕性能結構材料，廣泛應用于化工、海水系統中，在焊接結構中使用的白銅多是含鎳量為10%、20%、30%的合金[2]。

船舶海水系統所采用的白銅管件及其管路附件多數都是需耐海水壓力的厚壁管件，而該類厚壁管材及其管路附件的制造、安裝及焊接檢驗等在國內均沒有現成的標準可以遵循。在整個通海系統管路里，最薄弱的、最容易出現問題的、而且質量最難保證的部位就是焊接接頭[3]。

本文通過BFe10-1-1白銅管及其管路附件焊接工藝試驗，確定出能夠應用于BFe10-1-1白銅管材及其管路附件對接的焊接工藝方法、焊接工藝參數和相應的坡口形式、尺寸，為船舶通海系統所采用的BFe10-1-1白銅管焊接提供可靠的保證。

1 試驗用材料及試驗方法

試驗用母材采用德國KME公司生產的CuNi90/10（BFe10-1-1）白銅管材，規格為φ340mm×16mm、φ220mm×11mm、φ60mm×4.5mm，其化學成分見表1；以及洛陽七二五研究所生產的BFe30-1-1白銅鍛環，規格為φ340mm×16mm。

表1 試驗母材的化學成分（質量分數%）

試驗用焊接設備采用美國林肯公司生產的SQUARE WAVE TIG355交直流兩用TIG焊機。焊縫填充材料選用美國INCO公司生產的MONEL 67（相當于AWS A5.7 ERCuNi）焊絲。試驗中，采用不同的焊接規范參數對白銅管材進行焊接，焊接接頭選用對接接頭形式，改變坡口形式及尺寸，焊后對管材接頭進行力學性能試驗和射線探傷。通過分析對比，確定BFe10-1-1白銅管及其與BFe30-1-1管材白銅法蘭間對接焊縫的坡口形式尺寸及焊接規范參數。

2 焊接工藝方法篩選試驗

用于BFe10-1-1白銅管及其與BFe30-1-1白銅管法蘭的焊接工藝方法主要有焊條電弧焊和鎢極氬焊兩種。經過大量試驗，最終確定采用手工TIG焊內填絲單面焊雙面成形工藝焊接根部打底焊縫，余下焊縫采用TIG焊填滿。內填絲TIG焊焊接工藝，是通過在焊接接頭根部始終保持一定尺寸的裝配間隙，利用電弧熱將間隙處的坡口兩側鈍邊熔化，通過間隙把焊絲送至坡口鈍邊熔化部位填絲形成熔池，利用熔池液態金屬的表面張力，在坡口內表面形成焊縫的焊接工藝[4]。該工藝可以從根本上解決管對接接頭在仰焊位置時，由于熔池金屬重力造成的根部打底焊縫的內表面凹陷問題，對保證整個BFe10-1-1白銅管及其與BFe30-1-1白銅法蘭對接接頭的焊接質量起到了至關重要的作用。

3 坡口形式、尺寸要素試驗

根據試驗確定的焊接工藝方法，為保證BFe10-1-1白銅管道的焊接質量，分別對BFe10-1-1白銅管與BFe30-1-1白銅法蘭進行了大量焊接試驗，最終確定BFe10-1-1白銅管及其與BFe30-1-1白銅法蘭管對接接頭的坡口形式和尺寸。

（1）坡口角度α試驗。以V形坡口α=60°為基礎，考慮到TIG焊焊槍噴嘴尺寸、鎢極伸出長度和銅鎳合金焊條鐵水浸潤性差的特點[5]，并考慮裝配間隙c等因素，逐步將坡口角度增大到α=70[°]+2.5°，并最終確定為α=75°，如圖1所示。

圖1 焊接接頭的形狀和尺寸

（2）鈍邊e試驗。e值比較小時，坡口兩側鈍邊與用來焊接定位焊縫的定位塊接觸面積比較小，白銅屈服強度比較低[6]，會導致鈍邊被接頭橫向收縮應力擠壓變形，使得接頭裝配間隙變得很小，TIG焊內填絲單面焊雙面成形工藝無法實現。因此，為了保證接頭裝配間隙，保證根部焊縫能夠實現TIG焊內填絲單面焊雙面成形工藝，我們以e=0+0.5mm為基礎，將鈍邊逐步增大到e=1±0.5mm，再增大到e=1.5±0.5mm，最終確定為e=1.5。

（3）裝配間隙c試驗。根據焊絲直徑為φ1.6mm，以TIG焊內填絲單面焊雙面成形焊接工藝所需要的裝配間隙為基礎，經試驗，將c值定為3mm。BFe10-1-1管對接接頭裝配時，由于其屈服強度比較低，線膨脹系數又比低碳鋼約大50%左右[7]，焊接時很容易產生橫向收縮變形，使得裝配間隙變小，甚至變為0。所以，在管對接接頭進行裝配時，為保證根部打底焊縫的焊接質量，保證在焊接打底焊縫時的裝配間隙c值在規定的范圍內，需要借助如圖2所示的定位塊來焊接定位焊縫。

圖2 對接接頭裝配用定位塊

上述坡口尺寸要素的確定，能夠實現BFe10-1-1白銅管對接接頭TIG焊內填絲單面焊雙面成形工藝，并且是保證打底焊縫焊接質量的基本條件。

4 手工TIG焊焊接工藝參數試驗

BFe10-1-1白銅管材及其與BFe30-1-1白銅管法蘭采用手工TIG焊時，所采用的焊接工藝參數與奧氏體不銹鋼、低碳鋼及低合金鋼有所不同；同時，對于不同規格的BFe10-1-1管材，其手工TIG焊的焊接規范參數也不一樣。根據試驗確定的BFe10-1-1白銅管及其與BFe30-1-1白銅法蘭管的焊接規范參數見表2。

5 結論

（1）BFe10-1-1白銅管材焊接工藝試驗確定的TIG焊內填絲單面焊雙面成形工藝，可以從根本上解決管對接接頭仰焊時，由于熔池金屬重力作用造成的根部打底焊縫的內表面凹陷問題。

（2）BFe10-1-1白銅管及其與BFe30-1-1白銅法蘭管焊接工藝試驗確定的接頭坡口形式和尺寸合理、可行，在焊接定位焊縫時應采用專用定位塊來保證裝配間隙，從而保證內填絲工藝的完成，焊縫質量能夠滿足工程需求。

（3）試驗中采用TIG焊內填絲單面焊雙面成形工藝焊接打底焊縫，然后再利用TIG焊進行填充，獲得了良好的焊接質量，證明這種工藝很適合于白銅管件的焊接，所確定的焊接工藝參數合理。

參考文獻

[1] 申永良，李維芬.純銅及其銅合金[J].冶金從刊，1998（6）：21-23

[2] 徐增華.金屬耐蝕材料[J].腐蝕與防護，2001，22（10）：458-460

[3] 王建國，曹福辛.BFe10-1-1白銅和雙相不銹鋼在海水管路中應用的綜合性能分析[J].材料開發與應用，2001，16（3）：1-5

[4] 劉殿寶，高峰，劉放. 厚壁大口徑BFe10-1-1白銅管焊接試驗[M].焊接，2002（3）：30-32

[5] 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊（2）[M].北京：機械工業出版社，1996

[6] 王宗杰，臧汝恒，李德元.工程材料焊接技術問答[M].北京：機械工業出版社，2002

[7] 季杰，井緒貴，張文鉞.銅滲透裂紋機理[J].焊接學報.2004，25（3）：124-128